王 濤，李寧寧，趙旭東，于佳月，石建軍，康玉梅

(1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司 西安市 710032； 2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院 沈陽(yáng)市 110819)

隨著國(guó)家大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，管廊、涵洞等地下工程逐年增多。涵洞大多為埋置在填土下方的結(jié)構(gòu)[1]，分為箱涵、蓋板涵和管涵三種形式[2]。預(yù)制裝配式箱涵因具有施工速度快、質(zhì)量易于控制、節(jié)省材料等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于高速公路建設(shè)[3-5]。結(jié)構(gòu)抗震的研究通常采用模型試驗(yàn)[6]、原型觀測(cè)[7]以及數(shù)值模擬[8]三種方式，在涵洞結(jié)構(gòu)抗震性能方面，很多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。如張運(yùn)良[9-10]結(jié)合實(shí)際工程，利用數(shù)值模擬研究了箱涵體系的抗震性能及其穩(wěn)定性；劉世強(qiáng)[11]通過(guò)建立波紋鋼涵洞的有限元模型，分析了其在地震作用以及車(chē)輛荷載作用下的內(nèi)力與位移變化；唐垠斐等[12]通過(guò)建立波紋鋼涵洞的有限元模型，研究了其在不同土體高度下的受力情況以及在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。箱涵在地震作用下是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，結(jié)構(gòu)特性、場(chǎng)地條件、地震動(dòng)特性以及埋深等都會(huì)影響到箱涵的地震響應(yīng)，單一地根據(jù)土體或箱涵在地震中的變形來(lái)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)是不準(zhǔn)確的。依托吉林省白城市“大慶至廣州高速公路雙遼至嫩江聯(lián)絡(luò)線雙遼至洮南段03A設(shè)計(jì)段”預(yù)制裝配式箱涵項(xiàng)目，考慮箱涵不同埋深、地震動(dòng)特性和頂板伸出長(zhǎng)度三種因素，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)裝配式箱涵結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響進(jìn)行分析。

1 計(jì)算模型

1.1 工程概況

“03A設(shè)計(jì)段”線路全長(zhǎng)25.702km，其中涵洞22道(含互通2道)，采用裝配式鋼筋混凝土箱型涵洞，有XTI-2×1.5、XTI-3×2.2和XTI-4×3三種形式。以XTI-4×3四構(gòu)件組合結(jié)構(gòu)為例，由頂板、底板和兩側(cè)墻組成，側(cè)墻與全現(xiàn)澆混凝土底板連接，頂板與側(cè)墻兩接頭鉸接(圖1)。

1.2 參數(shù)選取

依據(jù)該項(xiàng)目地質(zhì)勘查報(bào)告，計(jì)算參數(shù)的選取如表1所示，這里假定各土層沿深度方向均勻分布。

為了考慮裝配式箱涵中鋼筋的作用，采用鋼筋混凝土的等效彈性模量和容重來(lái)表示[13]。本工程混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，密度為ρc=2500kg/m3，彈性模量為Ec=3.25×1010N/m2，泊松比為μc=0.2；鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，密度為ρs=7850kg/m3，彈性模量為Es=2.0×1011N/m2，泊松比為μs=0.3。經(jīng)計(jì)算，裝配式箱涵等效密度為ρcs=2569kg/m3，等效彈性模量為Ecs=3.46×1010N/m2。

表1 土層基本參數(shù)

吉林省白城市的抗震烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，地震加速度為0.1g。場(chǎng)地類(lèi)別為二類(lèi)，特征周期0.35s，罕遇地震下特征周期加0.05s。選取地震波為水平向EL-CENTRO波，時(shí)間間隔0.02s，峰值加速度0.3417g。地震波加載時(shí)間長(zhǎng)度取20s，調(diào)整后的峰值為0.22g。

1.3 有限元模型

忽略涵洞的縱向影響，箱涵結(jié)構(gòu)采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變?nèi)e分單元CPE4，土體采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變縮減積分單元CPE4R。在模擬土體與箱涵結(jié)構(gòu)間的動(dòng)力相互作用時(shí)，需考慮兩者之間的摩擦接觸，定義土體與箱涵結(jié)構(gòu)之間接觸表面的力學(xué)性能，建立方程，采用接觸算法進(jìn)行計(jì)算。其中土體與箱涵之間的法向接觸選擇“硬”接觸，切向接觸服從Coulomb定理，當(dāng)接觸面上剪應(yīng)力大于摩擦力時(shí)，相對(duì)于箱涵，土體會(huì)產(chǎn)生切向滑動(dòng)。建模時(shí)，土體的計(jì)算范圍為長(zhǎng)50m、寬30m，是結(jié)構(gòu)尺寸的5～7倍，滿(mǎn)足要求。建立粘彈性人工邊界如圖2所示。

混凝土阻尼比取0.05，進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)而求得混凝土的阻尼系數(shù)α=0.3996，β=0.00583。

2 裝配式箱涵地震響應(yīng)影響因素分析

2.1 不同埋深

建立埋深分別為3m、4.5m、6m和7.5m的土體和箱涵結(jié)構(gòu)有限元模型，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。

圖4和圖5分別給出了不同埋深箱涵結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的水平相對(duì)位移和豎向相對(duì)位移。埋深增大，箱涵水平相對(duì)位移和豎向相對(duì)位移也隨之增大。頂板的豎向相對(duì)位移呈近似對(duì)稱(chēng)分布，先升高后降低，其中測(cè)點(diǎn)C的豎向位移增幅較大?？梢?jiàn)，埋深對(duì)頂板中部的豎向位移有較大的影響。圖6為不同埋深箱涵各測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力。隨著埋深的增加，各測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力逐漸增大，箱涵應(yīng)力集中部位變化較為顯著。

2.2 不同地震動(dòng)峰值

將地震動(dòng)峰值等比例縮放至0.10g、0.22g、0.30g和0.40g，進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。測(cè)點(diǎn)位置同圖3。

圖7和圖8給出了不同地震動(dòng)峰值下測(cè)點(diǎn)的水平相對(duì)位移和豎向相對(duì)位移變化規(guī)律。隨著峰值的增加，各測(cè)點(diǎn)的水平相對(duì)位移逐漸增大。地震動(dòng)峰值從0.1g增至0.4g，測(cè)點(diǎn)的水平相對(duì)位移越來(lái)越大，而頂板豎向相對(duì)位移受地震動(dòng)峰值的影響很小。豎向變形主要出現(xiàn)在頂板中部，隨著地震動(dòng)峰值的提高，豎向位移變化較小，幾乎不變。圖9反映出不同工況下箱涵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況，應(yīng)力集中部位大致相同，即頂板中部、頂板兩側(cè)角部以及側(cè)墻內(nèi)側(cè)角部，最大主應(yīng)力隨地震動(dòng)峰值的增加而增大。

2.3 不同箱涵頂板伸出長(zhǎng)度

頂板伸出長(zhǎng)度取100cm、105cm、110cm、115cm和120cm，等距取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖10所示。

圖11和圖12給出了不同頂板伸出長(zhǎng)度各測(cè)點(diǎn)水平位移和豎向位移變化規(guī)律。隨頂板伸出長(zhǎng)度的增加，側(cè)墻的水平位移不斷減少。當(dāng)頂板伸出長(zhǎng)度在110～115cm之間時(shí)，水平位移和豎向位移下降幅度均較大，抗震性能較好。提取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，箱涵的最大主應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)如圖13所示。隨著頂板伸出長(zhǎng)度的增大，各個(gè)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力減??；頂板伸出長(zhǎng)度在110～115cm時(shí)，應(yīng)力變化幅度較大，抗震性能較好。

3 結(jié)論

主要研究了不同埋深、地震動(dòng)峰值特性和頂板伸出長(zhǎng)度對(duì)裝配式箱涵結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，結(jié)論如下：

(1)地震作用下裝配式鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)的水平相對(duì)位移隨埋深增加而增大，地震作用主要對(duì)頂板中部的豎向相對(duì)位移有較大影響，最大主應(yīng)力在3～7.5m的埋深范圍內(nèi)，增幅較大。

(2)隨著地震動(dòng)峰值的提高，最大主應(yīng)力集中在頂板中部、頂板兩側(cè)角部和側(cè)墻內(nèi)側(cè)角部，隨著測(cè)點(diǎn)高度的增加，其水平相對(duì)位移增加幅度較大，但箱涵頂板豎向相對(duì)位移改變較小。

(3)頂板伸出長(zhǎng)度越大，箱涵水平位移、豎向位移和最大主應(yīng)力越小，當(dāng)頂板伸出長(zhǎng)度在110～115cm時(shí)，箱涵水平相對(duì)位移、豎向相對(duì)位移和最大主應(yīng)力的下降幅度最大。